Jimmy ROUSSEL - ENSCR
MÉCANIQUE NEWTONIENNE
Cours
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Dernière mise à jour : 8 mars 2017
Table des matières
1 CINÉMATIQUE DU POINT MATÉRIEL 5
1.1 Tempsetespace ..................................... 6
1.2 Repéragedunpoint ................................... 8
1.3 Vitessedunpoint .................................... 10
1.4 Accélérationdunpoint ................................. 14
1.5 Quelques mouvements simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 POSTULATS DE LA DYNAMIQUE 20
2.1 LoisdeNewton...................................... 21
2.2 Interactions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Interactions phénoménologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 PROBLÈMES DE CHUTE 35
3.1 Le principe d’équivalence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 La chute libre sans frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Chute libre avec frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 APPROCHES ÉNERGÉTIQUES 43
4.1 Leconceptdénergie ................................... 44
4.2 Energie mécanique d’un point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Bilan d’énergie pour un système de points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5 OSCILLATEURS MÉCANIQUES 59
5.1 Notion d’oscillateur harmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Résonances ........................................ 65
5.3 Eetsanharmoniques................................... 71
6 THÉORÈME DU MOMENT CINÉTIQUE 75
6.1 Momentduneforce ................................... 76
6.2 Momentcinétique..................................... 78
6.3 Théorème du moment cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4 Applications........................................ 81
7 MOUVEMENTS À FORCE CENTRALE 86
7.1 Loisdeconservation ................................... 87
7.2 LeproblèmedeKepler.................................. 91
7.3 Interaction coulombienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8 RÉFÉRENTIELS NON GALILÉENS 102
8.1 Référentiels en translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2 Référentiels en rotation uniforme autour d’un axe fixe . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.3 Généralisation....................................... 110
9 PROBLÈME À DEUX CORPS 114
9.1 Réduction du problème à deux corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.2 Exemplesdapplication.................................. 117
10 PHYSIQUE DES COLLISIONS 124
10.1Loisdeconservation ................................... 125
10.2Collisionsélastiques ................................... 126
10.3Collisionsinélastiques .................................. 129
1
TABLE DES MATIÈRES 2
A RÉSOUDRE UNE ÉQUATION DIFFÉRENTIELLE 134
A.1 Equation différentielle ordinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
A.2 Equations différentielles linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.3 Équation à variables séparables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B CALCUL PERTURBATIF APPLIQUÉ AUX ÉQUATIONS DIFFÉRENTIELLES 140
B.1 Principegénéral ..................................... 140
B.2 Méthode appliquée aux oscillateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
C PÉRIODE DU PENDULE SIMPLE 145
C.1 Miseenéquation ..................................... 146
C.2 FormuledeBorda .................................... 146
C.3 Utilisation de la moyenne arithmético-géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
D LES CONIQUES 151
D.1 Introduction........................................ 152
D.2 Lellipse .......................................... 152
D.3 Laparabole........................................ 154
D.4 Lhyperbole........................................ 155
Notations
Notations mathématiques
Symbole Signification
hA(t)imoyenne temporelle de A(t)
Vecteurs
Avecteur
uvecteur unitaire
k
Akou Anorme du vecteur
A
Azcomposante suivant l’axe Oz;Az=
A·
uz
d`vecteur déplacement infinitésimal
Systèmes de coordonnées
R,RRéférentiel, référentiel barycentrique
(x,y,z)coordonnées cartésiennes
(
ux,
uy,
uz)base cartésienne
(r,θ,z)coordonnées cylindriques
(
ur,
uθ,
uz)base cylindrique
(r,θ,ϕ)coordonnées sphériques
(
ur,
uθ,
uϕ)base sphérique
Dérivées
˙you dy
dtdérivée première par rapport au temps
¨you dy2
dt2dérivée seconde par rapport au temps
f
x ou f0
xdérivée partielle
Relations
relation de définition
f(x)'
x→∞g(x)donne le comportement asymptotique de f(x)lorsque x→ ∞
3
TABLE DES MATIÈRES 4
Grandeurs physiques
Nom Symbole Unité
Masse mkg
Masse molaire Mkg.mol1
Masse volumique ρkg.m3
Charge électrique qC
Aire Am2
Volume Vm3
Temps ts
Fréquence νHz
Période Ts
Vitesse v,m.s1
Vitesse angulaire, pulsation ωrad.s1
Accélération am.s2
Quantité de mouvement pkg.m.s1
moment d’une force MN.m
Moment cinétique LJ.s
Couple ΓN.m
Moment d’inertie/Ikg.m2
puissance mécanique PW
raideur kN.m1
Facteur de qualité Qsans dimension
Travail WJ
Energie EJ
Constantes physiques (source : 2014 CODATA)
Nom Symbole Valeur
Vitesse de la lumière c299 792 458m.s1
Constante électrique 1
4π08 987 551 787m.F1
Perméabilité magnétique du vide µ04π.107H.m1
Constante gravitationnelle G6,674 08(31).1011 m3.kg1.s2
Charge élémentaire e1,602 176 6208(98).1019 C
Constante de Planck h6,626 070 040(81).1034 J.s
Nombre d’Avogadro NA6,022 140 857(74).1023 mol1
Masse de l’électron au repos me9,109 383 56(11).1031 kg
Masse du proton au repos mp1,672 621 898(21).1027 kg
Masse du neutron au repos mn1,674 927 471(21).1027 kg
Constante de Boltzmann kB1,380 648 52(79).1023 J.K1
Constante des gaz parfaits R8,314 4598(48)J.K1.mol1
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